A geotermikus energia hasznosításában, különösen a villamosenergia-termelést célzó technológiák területén gyors fejlődés zajlik. Az innováció egészen új szintre emelheti a geotermikus energia szerepét a dekarbonizációban.

A Föld több rétegből álló magja mintegy 2900 kilométerrel a felszín alatt helyezkedik el. Vagyis bolygónk körülbelül 12 742 kilométeres átmérőjéből 6942 kilométert a mag teszi ki. A több részből álló mag hőmérséklete eléri az 5000–7000 °C-ot, ami nagyjából megegyezik a Nap felszíni hőmérsékletével. A szárazföldek alatt 30–40, az óceánok alatt 6–7 kilométer vastagságú földkéreg hőmérséklete lefelé haladva átlagosan 33 méterenként 1 °C-kal nő. Ez az úgynevezett geotermikus gradiens azt jelzi, hogy hatalmas hőenergia-készlet rejlik nem is olyan mélyen a felszín alatt. Becslések szerint a teljes földhő elméleti potenciálja akkora, hogy mindössze 0,1 százaléka fedezhetné az emberiség teljes energiaigényét hozzávetőleg 2 millió évre. Ennek kiaknázását azonban számos tényező korlátozza.

A geotermikus energia hasznosításának legegyszerűbb, a kőkorszak óta gyakorolt módja a felszínre törő meleg víz felhasználása fürdésre, főzésre, mosásra. A 19. század második felétől alkalmazott, jóval szofisztikáltabb eljárás a felszín alatti geotermikus tárolókban (rezervoárokban) található nagy hőmérsékletű víz felszínre hozása, valamint a benne lévő hőenergia kinyerése többnyire épületek fűtésére. A nagyobb mélységből felszínre hozott víz és gőz már villamos energia termelésére is alkalmas.

A 20. századtól alkalmazott módszer korábban leginkább a 3 kilométernél nem mélyebb források esetében, illetve legalább 150–200 °C-os víz és gőz felszínre hozatalakor volt gazdaságos. De 4–6 kilométer mélyen már szinte bárhol elérhető a szükséges hőmérséklet. Az utóbb említett eljárások során a vizet a hő kinyerését követően a környezet védelme és a rétegnyomás fenntartása érdekében vissza kell sajtolni a tárolóba. (Ez alól helyenként felmentést adnak a hatóságok.) A zárt rendszerű geotermikus hőszivattyú a talajba mindössze 1,5–3 méter mélyre vízszintesen telepített talajkollektorral vagy függőlegesen 50–200 méter mélyre vezetett talajszonda segítségével nyeri ki a földhőt.

Kapcsolódó bejegyzések

Indulhat a geotermális távfűtési projekt Mátészalkán

A Magyar Energetikai és Közmű-szabályozási Hivatal (MEKH) távhőtermelői működési engedélyt adott a Geotherm Fire Kft. részére. Az engedély birtokában Mátészalkán is elérhető lesz a környezetbarát, geotermális energiát hasznosító távfűtés – olvasható a MEKH honlapján közzétett hírben. A termálvíz kitermeléséhez 1200 méter mélységű kutat fognak fúrni egy önkormányzati területen, ahonnan megközelítőleg 1000 liter 60-65 °C-os vizet […]

„Csak” fel kell hozni a hőt

A felhasznált energia egyre nagyobb részét kitevő villamos energia előállítása tehát magasabb minimum hőmérsékletet igényel. A geotermikus erőművek régebbi generációja közvetlenül a földből származó vizet, illetve gőzt használta az áramot termelő turbinák működtetéséhez. Ezzel nem ritkán a levegő és a víz szennyezéséhez is hozzájárult, mivel a mélyből felhozott víz és gőz a felszíni környezetre nézve szennyező anyagokat is tartalmazhatott. Az újabb, úgynevezett bináris erőművek ezzel szemben egy zárt hőcserélő rendszerben jutattják le a mélybe, majd hozzák ismét a felszínre a hőt felvenni képes közeget, amellyel a gőzt előállítják. Amellett, hogy ez kizárja a jelentős levegő- vagy vízszennyezés kockázatát, nagy előnye, hogy a villamosenergia-termelést már körülbelül 100 °C-os hőmérsékletű tározókból is lehetővé teszi.

A kulcs tehát a hő felszínre jutattása. Ebből a szempontból a jelenlegi és a fejlesztés alatt álló újabb geotermikus technológiák négy nagy kategóriába sorolhatók:

1. Csaknem mindegyik napjainkban működő geotermikus erőmű hidrotermális rendszerű, azaz olyan forrásokra támaszkodik, ahol a Föld magja által felmelegített víz vagy gőz átjárhatatlan kőzetrétegek alatt reked. Ezekből az óriási túlnyomásos rezervoárokból különféle nyílásokon (fumarolákon) keresztül olykor a felszínre is tör a gőz vagy a forró víz, például a gejzírekben. A problémát az jelenti, hogy a feltárt, nagy és jól ismert mezők többségének potenciálját már kiaknázták a hagyományos technológiával. A geotermikus villamosenergia-termelés ezért továbbra is piaci rést képez, jelentősen elmarad más megújuló technológiáktól. 2019 végén a globális beépített geotermikus elektromos kapacitás mindössze 15,4 GW volt. Ezt a mennyiséget összesen 29 ország termelte, amelyek közül csak 5 ország termelése haladta meg az 1 GW-ot – összegzi a Vox. A meglehetősen koncentráltan elhelyezkedő hidrotermális tározók feltárása drága és nem teljesen biztonságos, ezért az innováció jelentős részben e módszer fejlesztésére irányul.

Mesterséges tárolók és szuperkritikus víz

2. A konvencionális geotermikus rendszerek terjedésének fő akadálya tehát a megfelelő területek ismeretének a hiánya, miközben tudjuk, hogy a szilárd, nem porózus felszín alatti kőzetek rengeteg hőt tárolnak. A mezők feltárása mellett másik megoldást kínál a mesterséges geotermikus rezervoárok kialakítása. Ez leegyszerűsítve úgy történik, hogy egy kúton keresztül nagy nyomással vizet injektálnak a kőzetbe. Ezt követően hidraulikus rétegrepesztésnek nevezett eljárással a szétzúzott kőzetből kiszabaduló hőt felvevő vizet felszínre hozzák egy másik kúton át.

Az EGS (enhanced geothermal systems) által alkalmazott, a tengerentúlon palagáz- és olajforradalmat is elindító rétegrepesztéses eljárással kapcsolatban ugyanakkor – az iparág részéről vitatott – környezetvédelmi aggályok merültek fel. Így a hatóságok számos európai és tengerentúli államban nem engedélyezik az eljárást. Magyarországon a Battonyai-hátságon indult ilyen technológiát alkalmazó beruházás, azonban befejezése a 2019 decemberére tervezett határidőhöz képest csúszik.

Az Egyesült Államokban 2020-ban lendületet vett a geotermikus célú hasznosítás fejlesztése. Ha a mérnöki és a marketing kihívásokat sikerül leküzdeniük, hihetetlen nagyságú tiszta villamosenergia-forrás válhat elérhetővé a tengerentúlon. Az amerikai Energiaügyi Minisztérium tanulmánya szerint átlagosan 7000 méter körüli kútmélységgel és 150 °C-os minimális kőzethőmérséklettel számolva a potenciális geotermikus villamosenergia-kapacitás elérheti az 5157 GW-ot. Ez körülbelül ötszöröse az USA jelenlegi beépített kapacitásának. Az EGS-t közvetlen hőtermelésre alkalmazva a technológia éves szinten 15 millió TWhth előállítására lenne alkalmas, míg az ország jelenlegi fogyasztása 1754 TWhth. Vagyis az előállítható mennyiség elméletileg elegendő lenne minden egyes amerikai otthon és kereskedelmi épület fűtésére legalább 8500 évig.

3. Még mélyebbre, 10 ezer méterre vagy ennél is lejjebb fúrva pedig még több hő érhető el, aminek azonban egyelőre nincsenek meg a technológiai feltételei. Az extrém mélységben lévő, nagyon magas hőmérsékletű kőzeteket célzó (super-hot-rock) EGS eljárás ezért csak a holnap vagy inkább a holnapután megoldása lehet. Ilyen körülmények között a víz rendkívüli tulajdonságokra tesz szert: 373 °C hőmérséklet és 220 bar nyomás felett szuperkritikussá válik, halmazállapota a három közül egyikbe sem sorolható, szerves anyaggal való érintkezésekor pedig égési folyamat indul be. Összes energiája (entalpiája) sokszorosa a vízének, gőzének, az extrém magas hőmérséklet pedig csaknem megkétszerezi a villamos energiává való átváltás hatásfokát.

Vagyis nemcsak több energiát lehet kinyerni a kútból, hanem több elektromos áram is állítható elő belőle. Egy 200 °C-os vizet hasznosító, körülbelül 5 MW-os EGS erőműhöz képest egy – egyelőre csak elméletben létező – 400 °C-os vizet hasznosító geotermikus projekt hozzávetőleg 50 MW kapacitású lenne.

A nap- és szélenergiát is kiegészítheti

Az eddigi tapasztalatok alapján minél nagyobb a hőmérséklet, annál versenyképesebb a termelt villamos energia ára. Az Egyesült Államok Energiainformációs Ügynökségének előrejelzése szerint a Super Hot EGS technológia lehet alkalmas a folyamatos, azaz zsinóráram-termelésre. A technikai kihívás azonban hatalmas. A fúrás első számú szakértőinek számító olaj- és gázmérnököknek mindeddig nem kellett extrém magas hőmérsékletre tervezniük.

A rendkívüli körülmények miatt új burkolatokat és egyéb új anyagokat kell kifejleszteni. A nagyon magas hőmérsékletű víz viselkedése teljes mértékben annak ellenére sem ismert, hogy bizonyos iparágakban (szénerőművekben, szennyvíztisztítókban, hadászatban) már alkalmazzák. A korróziónak és a magas hőmérsékletnek ellenálló anyagokat tökéletesíteni kell, és a fúrási technikák folyamatos javítása is szükséges. Jelenleg nincs olyan kút, amely szuperkritikus vízből állítana elő áramot. Az egyéb iparágakban végzett kísérletek azonban lehetővé teszik, hogy a szuperkritikus víz tulajdonságairól a szakértők tapasztalatot szerezzenek. Több országban kutatási és demonstrációs projektek folynak a további információgyűjtés érdekében.

A közelmúltban a technológiák negyedik csoportja is megszületett, amely ugyancsak a geotermikus energia szélesebb körű térnyerésével kecsegtet.

4. A fejlett geotermikus rendszerek külön típusát képviselik a zárt láncú (AGS) rendszerek. Ezek működése során nem kerül folyadék a felszínről a földbe, és a mélyből sem termelnek ki vizet. A hőhordozó közeg a hőszivattyúhoz hasonlóan zárt csőrendszerben kering, hőt vesz fel és szállít a felszínre, ahol fűtésre és/vagy villamosenergia-termelésre is használható. Ehhez hasonló rendszerek évtizedek óta léteznek, néhány startup cég azonban a közelmúltban kiegészítette ezek sorát az olaj- és gázipar által fejlesztett technológiákkal. Az egyik ilyen vállalat, amelyet olaj- és gázipari tapasztalattal rendelkező befektetők indítottak, az egyesült államokbeli Eavor.

A társaság által tervezett rendszerben két – egymástól körülbelül 2,5 kilométer távolságban – függőlegesen fúrt kút vízszintesen futó csőrendszerrel lesz összekötve radiátorszerűen annak érdekében, hogy a lehető legnagyobb felületen annyi hőt tudjon felvenni, amennyit csak lehet. A pontos oldalfúrást a palaforradalom és az olajhomok termeléséhez használt technológia teszi lehetővé. A zárt hurokrendszernek, a hőkülönbségnek, illetve a hőszifonhatásnak köszönhetően a víz szivattyú alkalmazása nélkül kering.

A rendszer képes a viszonylag alacsony, 150 °C-os hő nyereséges kitermelésére, amely szinte bárhol elérhető körülbelül kétezer méter mélységben. A rendszer a folyadékáramlás változtatásával jól szabályozható, így kiegészítheti az időjárásfüggő nap- és szélenergiát is. Ha a fluidum több ideig marad a mélyben, és így több hőt vesz fel, egyfajta akkumulátorként is funkcionál. Ez lehetővé teszi, hogy az erőmű rugalmasan, a legjellemzőbb keresleti görbéhez igazodva alakítsa a termelést.

Bízhatunk benne

A földhő hasznosításának nagy előnye a többi megújuló energiaforrással szemben, hogy független a meteorológiai körülményektől. Áramtermelésre maximális és minimális felhasználói igény esetén is alkalmazható. Egy erőmű helyét a hőforrás elhelyezkedése határozza meg, ezért decentralizáltan használható. A szükséges geológiai kutatások, az erőmű létesítése, környezetének kiépítése és karbantartása pedig mind munkahelyteremtési esélyek.

Hazánk földrajzi elhelyezkedésének köszönhetően geotermikus nagyhatalomnak számít, ugyanis a Kárpát-medence területén a geotermikus gradiens átlagos értéke 45 °C, helyenként 60 °C kilométerenként. A kutatások szerint egy geotermikus rendszer kiépítéséhez minden részlet rendelkezésünkre áll, ilyen típusú erőművet azonban ezidáig nem építettek hazánkban. Egy geotermikus erőmű létesítéséhez szükséges előzetes fúróvizsgálatok költsége, valamint az engedélyeztetési eljárás bürokratikus körülményei jelentősen megnehezítik a beruházást.

Mivel hazánkban alacsony hőmérsékletű (90–150 °C-os) karbonátos tározók fölött élünk, valószínűleg csak bizonyos típusú bináris erőművet üzemeltethetnénk gazdaságos fúrási mélység alkalmazásával. Így a létesítés költsége igencsak megnyújtaná a beruházás megtérülési idejét. Mivel azonban a geotermikus erőművek folyamatos terjedése világszintű jelenség, reálisan bízhatunk abban, hogy egyszer a hazai villamosenergia-termelés egy részét is bolygónk belső hőjének felhasználásával állítjuk majd elő – fejti ki Oláh Gergő, okleveles villamosmérnök az MVM honlapján.

Kiemelt kép: Canva.com